Nghiên cứu tính toán sạt lở bờ sông tiền đoạn qua huyện Long Hồ tỉnh Vĩnh Long bằng mô hình toán - Lưu Kiến Chính

38 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂNSố tháng 05 - 2014 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SẠT LỞ BỜ SÔNG TIỀN ĐOẠN QUA HUYỆN LONG HỒ TỈNH VĨNH LONG BẰNG MÔ HÌNH TOÁN 1. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, tình hình sạt lở bờ sông, bờ biển ở Đồng bằng sông Cửu Long đang có xu thế gia tăng gây ra những thiệt hại không nhỏ đến dân sinh, kinh tế. Trước thực tế đó, việc chủ động phòng chống và đưa ra được những giải pháp hữu hiệu để bảo vệ bờ sông, bờ biển thực sự cấp thiết. Theo đó, vấn đề nghiên cứu dự báo trên cơ sở ứng dụng những công nghệ mới, tiên tiến trên thế giới cần được đẩy mạnh. Hiện nay, trên thế giới đang sử dụng bốn phương pháp chính để nghiên cứu diễn biến lòng sông, sạt lở bờ như: đo đạc hiện trường; mô hình vật lý; mô hình toán; viễn thám và GIS. Cả bốn phương pháp này là không thể thiếu và phải bổ trợ cho nhau nhằm đưa ra kết quả chính xác. Phương pháp hiện trường đòi hỏi nhiều năm quan trắc một cách hệ thống. Phương pháp mô hình vật lý là cơ sở để xây dựng các công thức kinh nghiệm, có khả năng mô phỏng chính xác nhất đoạn sông cần nghiên cứu, tuy nhiên đòi hỏi rất nhiều công sức và tiền của. Trong điều kiện của nước ta hiện nay, phương pháp mô hình toán kết hợp với đo đạc hiện trường một số điểm nhằm hiệu chỉnh và kiểm định là phù hợp nhất. Vì vậy, nhóm tác giả đã thực hiện nghiên cứu này bằng cách sử dụng kết hợp mô hình Mike 21 và phần mềm Geo-Slope cùng với số liệu đo đạc thực tế để tính toán sạt lở bờ sông Tiền đoạn qua huyện Long Hồ, tỉnh Vĩnh Long. 2. Cơ sở lý thuyết Trong mô hình Mike 21, tính toán dòng chảy và chuyển tải phù sa dựa trên cơ sở của phương trình động lượng, liên tục và chuyển tải phù sa, có tính tới hàm số nguồn và diễn biến đáy nhờ gradient dòng bùn cát đáy và phương trình liên tục bùn cát đáy. a. Lý thuyết dòng chảy 2 chiều Hệ phương trình động lực học mô tả dòng chảy hai chiều đã được tích phân theo chiều sâu: Phương trình liên tục: Phương trình động lượng: Trong đó: h: độ sâu dòng chảy [m] (h = η + d) η: cao độ mực nước [m] d: biến động của độ sâu theo thời gian [m] : vận tốc tại độ sâu trung bình theo phương x, y [m/s] S: thông lượng nhập bên [m3/s/m2] ρ: khối lượng riêng của nước [kg/m3] : ứng suất ma sát bề mặt theo hai phương x, y [N/m2] : ứng suất ma sát đáy theo hai phương x, y [N/m2] Lưu Kiến Chính - Viện Khí tượng Thủy văn Hải văn và Môi trường Tp. HCM Nguyễn Kỳ Phùng - Sở Khoa học và Công nghệ Tp. HCM Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu sạt lở bờ sông Tiền bằng mô hình toán. Trong nghiêncứu, các tác giả đã sử dụng mô hình tính toán diễn biến đáy hai chiều kết hợp với phần mềm Geo-Slope để tính toán độ ổn định của bờ sông Tiền, đoạn qua huyện Long Hồ tỉnh Vĩnh Long. Các kết quả đạt được trong nghiên cứu cho thấy bờ sông tại đoạn này có hệ số ổn định nhỏ và dễ xảy ra sụt lở. Mặc dù đây chỉ là bước đầu nghiên cứu, nhưng qua đó thấy được khả năng ứng dụng của phương pháp này vào công tác dự báo sạt lở bờ sông trên các sông khác ở Việt Nam. (1) (2) (3) Người đọc phản biện: TS. Nguyễn Kiên Dũng 39TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂNSố tháng 05 - 2014 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI f: thông số Coriolis g: gia tốc trọng trường [m/s2] A: hệ số nhớt rối theo phương ngang [m2/s] Lý thuyết chuyển tải phù sa Phương trình chuyển tải phù sa lơ lửng được mô tả như sau: Trong đó: : Nồng độ bùn cát trung bình theo chiều sâu [kg/m3]. u, v: Các vận tốc dòng chảy trung bình theo chiều sâu [m/s]. Dx, Dy: Hệ số khuếch tán theo phương x, y [m2/s]. h: Độ sâu của nước [m]. ΣS: Tổng lượng bồi xói [kg/m2/s]. QL: Lưu lượng nguồn trên mỗi đơn vị diện tích theo phương ngang [m3/s/m2]. CL: Nồng độ lưu lượng nguồn [kg/m3]. Bề dày của lớp đáy thứ j xác định theo công thức: H: Độ dày lớp đáy [m] M: Tổng lượng trầm tích [kg/m2] : mật độ khô [kg/m3] b. Lý thuyết tính toán sạt lở bờ Trong phần mềm Geo-slope, độ ổn định của mái bờ và sự sụt bờ được tính toán dựa trên cơ chế trượt trên mặt cong. Vật liệu cấu trúc bờ di chuyển theo cả hai chiều: xuống dưới và hướng ra ngoài dọc theo mặt trượt cong, phổ biến cho những dạng bờ được cấu tạo bởi những vật liệu kết dính và mái bờ dốc tới 600 (so với mặt phẳng ngang). Sau khi trượt, phần đỉnh của khối trượt thường nghiêng hướng về phía bờ. Trượt xoay là kết quả của việc xói mòn chân bờ (xói đáy trong tính toán 2D) và khi áp suất nước trong đất bờ khá cao. Thường thường trượt xoay xảy ra vào khoảng thời gian lũ rút nhanh. (4) (5) Hình 1. Cơ chế sụt lở trên cung trượt cong Để tính toán sụt bờ, mô hình tiến hành tính toán độ ổn định của bờ theo hệ số an toàn FS (FS – Fac- tor of Safety). Nếu FS < 1 thì bờ sông được đánh giá là mất ổn định và xảy ra sụt bờ, nếu FS ≥ 1 thì bờ sông ổn định và không xảy ra hiện tượng sụt bờ. FS tính theo công thức sau: Trong đó: : tổng các lực(/moment) cản trở khối đất sụt xuống. : tổng các lực(/moment) gây trượt tác dụng lên khối đất sắp bị sụt. Hệ số ổn định của bờ được tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết trạng thái cân bằng giới hạn theo cân bằng momen và cân bằng lực: (6) (7) (8) 40 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂNSố tháng 05 - 2014 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI Trong đó: FSm : hệ số ổn định theo cân bằng momen FSf : hệ số ổn định theo cân bằng lực Ban đầu, phần mềm tiến hành tính một cung trượt bất kỳ ứng với một tâm trượt giả định (hình 2). Sau đó tiến hành chia cung trượt thành nhiều phần nhỏ để phân tích lực tác dụng và khả năng cân bằng lực của các phần nhỏ đó. Trên hình thể hiện các lực tác dụng lên một thỏi đất trong cung trượt tròn. Quá trình tính toán sẽ lặp lại cho đến khi chương trình tìm ra được cung trượt có hệ số an toàn thấp nhất. Hình 2. Phần mềm xác định cung trượt bằng vị trí tâm và tiếp tuyến đi qua Hình 3. Sơ họa các lực tác dụng lên một phần nhỏ trong cung trượt c. Trình tự tính toán sạt lở bờ sông Nghiên cứu tính toán sạt lở bờ sông kết hợp hai mô hình Mike 21 và phần mềm Geo-Slope được tiến hành theo quy trình như sơ đồ sau: Hình 4. Sơ đồ tính toán sạt lở bờ sông bằng phương pháp kết hợp mô hình Mike21 và Geo-Slope 3. Tính toán sạt lở bờ sông Tiền đoạn qua huyện Long Hồ tỉnh Vĩnh Long Khu vực nghiên cứu là đoạn sông Tiền thuộc huyện Long Hồ, tỉnh Vĩnh Long với chiều dài 30 km được giới hạn bởi 3 biên hình 5. 41TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂNSố tháng 05 - 2014 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI Hình 5. Giới hạn khu vực nghiên cứu Lưới tính toán: Lưới tam giác phi cấu trúc gồm 26360 phần tử, 16171 nút, góc nhỏ nhất của các phần tử tam giác là 260, khoảng cách giữa các nút từ 5 m- 20 m. a. Hiệu chỉnh mô hình thủy lực và chuyển tài phù sa Trước khi tiến hành mô phỏng, mô hình thủy lực và chuyển tải phù sa đã được hiệu chỉnh kiểm tra từ ngày 29 - 31/12/2012. Các kết quả hiểu chỉnh và kiểm tra đạt được tương đối tốt và phù hợp với số liệu thực đo. Những vị trí được sử dụng để hiệu chỉnh kiểm tra được thể hiện trong “Error! Reference source not found”. và kết quả hiệu chỉnh kiểm tra được thể hiện trong bảng 1. Hình 6. Bản đồ địa hình đáy vùng nghiên cứu và các vị trí được sử dụng để hiệu chỉnh kiểm tra mô hình Bảng 1. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm tra tại 5 vị trí trong vùng tính b. Bộ dữ liệu tính toán Thời gian mô phỏng: 3 tháng mùa lũ (từ 1/7/2010 – 1/10/2010) với bước thời gian 240s. Hệ số nhám thay đổi tuyến tính theo độ sâu từ 0,012 – 0,055. Điều kiện ban đầu: mực nước ban đầu: 0m, vận tốc ban đầu: 0 m/s, nồng độ phù sa toàn miền theo 5 cấp hạt. Điều kiện biên tính toán thủy lực và chuyển tải bùn cát: sử dụng số liệu dao động mực nước và số liệu nồng độ phù sa theo cấp phối hạt. Dữ liệu phục vụ tính toán sạt bờ: các đặc tính địa chất tại vùng này được mô tả trong bảng 2. 42 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂNSố tháng 05 - 2014 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI Bảng 2. Mô tả địa chất các lớp đất c. Kết quả và phân tích Hình 7. Tốc độ bồi xói sau 3 tháng mùa lũ từ ngày 01/07/2010 Kết quả tính toán mô phỏng diễn biến lòng dẫn sau 3 tháng mùa lũ được thể hiện trong hình 7. Trong hình, thang màu có màu cam tương ứng với bồi khoảng 0,1 m sau 3 tháng, đến màu xanh lá ứng với bồi nhẹ 0,02m/sau 3 tháng, màu xanh dương là xói gần 0,08m/sau 3 tháng và đến màu tím là xói nhiều với mức xói trên 0, m/sau 3 tháng. Nhìn chung, các đoạn sông có lòng dẫn bị co hẹp đột ngột hầu hết đều bị xói (khoảng > 0,06m sau 3 tháng mùa lũ - tương ứng với màu xanh lá chuyển sang xanh dương trên hình, vùng khoanh tròn số 2 ngay tại thành phố Vĩnh Long và số 4 ngay tại xã Mỹ An). Vận tốc dòng chảy tại các vị trí này lớn do lòng dẫn bị co hẹp một cách đột ngột, đồng thời cấu tạo địa chất tại đây chủ yếu là những lớp đất yếu, nên hiện tượng xói lở xảy ra là hoàn toàn hợp lý, và cũng phù hợp với tình hình sạt lở thực tế ở đây. Mức độ bồi xói tại một số vị trí như trong hình 7 được thông kê trong bảng như sau. Bảng 3. Thống kê mức độ xói lở tại 4 vị trí tiêu biểu sau 3 tháng mùa lũ So với kết quả điều tra thực địa sạt lở bờ sông (các vị trí được tô màu đỏ như trong “Error! Refer- ence source not found”) thì các vị trí xói sâu tính được từ mô hình khá phù hợp. Tính toán độ ổn định bờ sông tại những vị trí xói sâu này được tiến hành để kiểm tra xem các vị trí này có nguy cơ xảy ra sạt lở bờ hay không? 43TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂNSố tháng 05 - 2014 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI Hình 8. Vị trí các điểm sạt lở khảo sát được ở ven sông Tiền huyện Long Hồ Dựa vào các kết quả bồi xói sau 3 tháng mùa lũ, kết hợp với bản đồ các vị trí sạt lở bờ được khảo sát thực địa tiến hành xuất các mặt cắt ngang của địa hình đáy tại những vị trí bị xói sâu và có nguy cơ sạt bờ để thực hiện tính toán độ ổn định mái bờ tại các vị trí đó. Tại mỗi vị trí xói sâu, chọn ra 2 đến 3 mặt cắt để tính toán độ ổn định của bờ. Ta chọn được 9 mặt cắt trên sông Cổ Chiên (hình 9) để tiến hành phân tích độ ổn định của bờ. Hình 9. Vị trí các mặt cắt để tính toán độ ổn định mái bờ sông Tiến hành phân tích độ ổn định của bờ sông cho 3 thời điểm như sau: - Thời điểm ban đầu: kiểm tra độ an toàn của bờ với hệ số mái dốc ban đầu. - Thời điểm đỉnh lũ: kiểm tra ảnh hưởng của lũ tới độ ổn định của bờ. - Thời điểm sau 3 tháng mùa lũ: kiểm tra sự thay đổi độ ổn định của bờ theo mức độ xói sâu sau lũ. Hình 10, 11, 12 là kết quả tính toán độ ổn định bờ tại mặt cắt 4 (MC4) ứng với 3 thời điểm tại MC4 sau 3 tháng mùa lũ. Hình 10. Kết quả tính toán độ ổn định của bờ tại MC4 ở thời điểm ban đầu 44 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂNSố tháng 05 - 2014 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI Hình 11. Kết quả tính toán độ ổn định của bờ tại MC4 ở thời điểm đỉnh lũ Hình 12. Kết quả tính toán độ ổn định của bờ tại MC4 sau 3 tháng mùa lũ Các kết quả phân tích độ ổn định của bờ sông tại tất cả các mặt cắt được thống kê trong bảng 4. Bảng 4. Tổng hợp kết quả tính toán độ ổn định bờ sông tai các mặt cắt Từ các kết quả tính toán trên, ta rút ra một số nhận xét như sau: - Tại thời điểm ban đầu: địa hình ban đầu chưa chịu ảnh hưởng của xói đáy, nhưng đa số các mặt cắt đều có hệ số ổn định tương đối thấp. Cụ thể, MC1 và MC8 có hệ số ổn định FS đạt gần mức tới hạn (FS = 1.006 ~ 1) nên tại đây tiềm ẩn nguy cơ sạt bờ khi có tác động nhỏ của ngoại lực. Một số mặt cắt có hệ số ổn định FS < 1 thì dễ sạt như MC3; 4; 6; 9; các mặt cắt này có mái bờ tương đối dốc (độ dốc > 350). Các mặt cắt còn lại có hệ số ổn định FS >1 thì an toàn. - Tại thời điểm lũ đạt đỉnh: mặc dù lòng dẫn đã bị xói sâu, tuy nhiên hệ số ổn định FS tại tất cả các mặt cắt đều tăng lên do mực nước sông dâng cao, áp lực nước tác động lên mái bờ, giữ cho bờ sông đạt trạng thái cân bằng hơn, nên hầu hết các mặt cắt đều có hệ số ổn định FS > 1 nên bờ sông tại các vị trí này đều ở trạng thái ổn định, riêng chỉ có MC3 (phường 1, TP Vĩnh Long) với FS < 1, có thể giải thích trường hợp này như sau: MC3 tại vị trí đoạn sông cong và co hẹp, địa hình đáy khá sâu nên vận tốc 45TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂNSố tháng 05 - 2014 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI Bảng 5. Thống kê vị trí và mức độ thụt vào của bờ - Ngoài ra, cấu tạo địa chất tại vùng chủ yếu là những lớp đất yếu, dễ chảy nhão khi bị ngậm nước. Đây cũng là nguyên nhân chủ yếu gây ra sụt lở bờ khi mực nước hạ thấp. 4. Kết luận Tính toán được hệ số ổn định của bờ sông sẽ là cơ sở để đánh giá và dự báo được hiện tượng sạt lở bờ. Nhóm tác giả đã kết hợp giữa mô hình tính toán thủy lực, bồi xói đáy với phần mềm Geo-slope để tính toán độ ổn định của bờ sông sau khi bị xói đáy. Mặc dù đây chỉ là các kết quả nghiên cứu cho một đoạn sông cụ thể, nhưng qua đó cho thấy được triển vọng của phương pháp nghiên cứu này có thể áp dụng hiệu quả cho việc dự báo diễn biến lòng sông, sạt lở bờ sông trên các hệ thống sông ngòi ở nước ta. Tài liệu tham khảo 1. Báo cáo giữa kì đề tài “Nghiên cứu hiện tượng bồi lắng, sạt lở bờ sông, xác định nguyên nhân, đề xuất các giải pháp phòng chống, khắc phục ở tỉnh Vĩnh Long” (2013). Viện Khí tượng Thủy văn Hải văn và Môi trường. 2. Báo cáo thông tin “Kết quả khảo sát hiện trạng, phân tích đánh giá nguyên nhân và dự báo sụt lở bờ sông Tiền, sông Hậu tỉnh Vĩnh Long” (2001). Liên đoàn Bản đồ Địa chất miền Nam phối hợp với Sở Khoa học, công nghệ và Môi trường tỉnh Vĩnh Long. 3. Báo cáo tổng hợp đề tài “Xác định nguyên nhân sạt lở bờ sông Tiền ngày 29/10/2012 tại ấp An Long xã An Bình huyện Long Hồ tỉnh Vĩnh Long“ (2013). Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam. 4. Đặng Hoàng Thanh (2011). “Kết quả tính toán dự báo sạt lở bờ sông bằng mô hình Mike 21C và phần mềm Geo – Slope (Áp dụng cho đoạn sông Đuống từ Đổng Viên đến Đông Đoài)”. Tạp chí Thủy lợi , Số 3, trang 52 – 55.[5. Lê Văn Tuấn và nnk. Đánh giá ảnh hưởng của tải trọng đỉnh bờ và mực nước sông đến độ ổn định bờ sông khu vực Thanh Đa. tại đây tương đối lớn, tại đoạn sông cong nên vận tốc lớn đập thẳng vào bờ gây xói đáy làm một phần địa hình bờ lõm quá dốc, vì vậy tính toán cho hệ số ổn định FS < 1 là phù hợp, bờ sông tại vị trí này vẫn có nguy cơ sạt lở mặc dù tại thời điểm đỉnh lũ mực nước dâng cao. - Khi lũ rút, mực nước hạ thấp đột ngột gây mất cân bằng lực giữ mái bờ, mặc khác, lòng dẫn bị xói sâu sau 3 tháng mùa lũ, do đó các bờ sông đều xảy ra sạt lở, kết quả tính toán cho thấy hầu hết FS < 1, chỉ có MC2, MC5 và MC7 còn duy trì được trạng thái ổn định, tuy nhiên FS không cao, do đó, nếu tính toán trong thời gian dài thì những mặt cắt này cũng có khả năng bị sụt đất. - Mức độ thụt vào của đường bờ sau 3 tháng mùa lũ được tính toán tại các vị trí mặt cắt có hệ số ổn định FS < 1 (lấy FS tại thời điểm sau lũ). Nhìn chung, bờ sông bị thụt vào khoảng 5 - 6 m sau 3 tháng, riêng vị trí mặt cắt 3 có đường bờ bị thụt vào khoảng 10 m sau 3 tháng. Theo số liệu khảo sát thực tế về tình hình xói lở tại các vị trí này, ta thấy kết quả tính toán mức độ sạt ở của bờ sông tương đối phù hợp với thực tế: cụ thể như mặt cắt 6 có kết quả tính toán sạt lở bờ sông là 5 m sau 3 tháng, trong khi đó mức độ sạt lở trung bình tại vị trí này theo số liệu đo đạc thực tế là khoảng 10 m/năm (các vị trí mặt còn lại có thể xem một số vị trí tiêu biểu được thống kê lại trong bảng sau).